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NMR- IMAGING
(3° parte)
“Tecniche chimico-fisiche in ambito sanitario”
Dott.ssa Isabella Nicotera
TECNICHE AVANZATE DI IMAGINGTECNICHE AVANZATE DI IMAGING
L'imaging volumetrico è l'acquisizione dei dati di risonanza magnetica da un
volume piuttosto che da una fetta, volume che e' possibile immaginare come un
insieme di molte fette contigue di una regione dell'oggetto esaminato.
Il numero di fette contigue sarà sempre un multiplo di 2.
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
Single Slice Contiguous Slices
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
C’è un impulso RF di selezione del volume
e un gradiente che ruota i soli spin del volume dell’oggetto da esaminare. Questa combinazione di impulsi è del tutto simile a quella per la selezione di una fetta tranne che per lo spessore della fetta che può essere di 10 o 20 cm.
I due impulsi di gradiente vengono applicati nello stesso istante e sono
ripetuti per tutte le possibili combinazioni (cioè per ogni valore di GФ nella
dimensione 2 si registrano tutti i passi nella dimensione 1).
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
Gli impulsi per la selezione del volume sono
seguiti da un gradiente di codifica della fase
nella dimensione 1
e da un altro nella dimensione 2.
Ognuno di questi varia da un valore minimo
ad uno massimo con incrementi di uguale
misura, proprio come tutti i gradienti di
codifica di fase.
Il gradiente di codifica in frequenza ha il suo lobo di defasamento negativo tale da mettere in fase gli spin al centro della finestra di acquisizione. Applicato il gradiente di codifica in frequenza (positivo), viene registrato un segnale, proprio come visto nelle sequenze precedenti di gradient echo.
Il tempo di imaging e' uguale al prodotto di TR volte il numero di incrementi della codifica di fase nella dimensione 1 per il numero di incrementi nella dimensione 2. A causa di questi tempi molto lunghi che per l'imaging volumetrico viene tipicamente utilizzata una sequenza gradient echo.
Imaging Volumetrico (3-D Imaging)
Imaging Fast Spin-Echo
Questa sequenza utilizza la possibilità di ottenere un elevato numero di echi contemporaneamente.E’ una sequenza spin-echo a multiplo echo in cui diverse porzioni dello spazio-k sono registrate da differenti spin-echo.La sequenza è costituita da un primo impulso di 90 seguito da un prescelto numero di impulsi di 180° tra loro ritardati di . Il ritardo del primo impulso di 180° rispetto all’impulso di 90° è /2.In questo modo gli echi risulteranno tra loro distanziati di .
Scelto un gruppo di echi, si può applicare un gradiente di codifica di fase diverso per ciascun eco del gruppo e, quindi, avere in una sola eccitazione più linee contemporaneamente.
Imaging Fast Spin-Echo
Ad esempio, si voglia utilizzare una
sequenza spin echo a 4 echi con un
TE di 15 ms. Lo spazio-k verrà diviso
in 4 sezioni.
Il primo echo è' utilizzato per riempire
la parte centrale dello spazio-k, linee
96-160.
Il secondo echo è' utilizzato per le
linee 64-96 e 160-192.
Il terzo echo riempie le linee 32-64 e
192-224.
L'ultimo echo riempie le linee 1-32 e
224-256 dello spazio-k.
Il beneficio della tecnica sta nel fatto
che un'immagine completa, come
mostrato nell'esempio, può essere
registrata in un quarto del tempo.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)La sequenza EPI è un procedimento di acquisizione delle immagini molto veloce;permette di acquisire contemporaneamente tutte le linee in una sola eccitazione (shot), cioè è in grado di produrre immagini tomografiche a frequenza video.Nell‘MRI, lo spazio-k equivale allo spazio definito dalle direzioni della codifica di frequenza e di fase. Le sequenze convenzionali registrano una linea dello spazio-k ad ogni passo della codifica di fase. Poiché si ha un passo della codifica di fase ogni TR secondi, il tempo richiesto per la produzione dell'immagine è dato dal prodotto di TR per il numero di passi della codifica di fase.L'imaging echo planare registra tutte le linee dello spazio-k in un singolo TR.
Diagramma Diagramma temporaletemporale
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
C'è un impulso RF a 90o di selezione di una fetta che viene applicato insieme ad un gradiente di selezione della fetta.
Vi sono un impulso di gradiente di codifica di fase iniziale e un impulso di gradiente di codifica di frequenza iniziale per posizionare gli spin nell'angolo dello spazio-k.
Segue un impulso a 180°.
Le direzioni della codifica di fase e di frequenza sono alternate cosi' da scandire l'intero spazio-k.
Cio' equivale a mettere 128 o 256 gradienti di codifica di fase e frequenza nel consueto periodo di registrazione dell'echo.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Se zoomiamo in questa regione del
diagramma temporale, apparirà più
chiaro:
c'e' un gradiente di codifica di fase,
seguito da un gradiente di codifica
di frequenza, durante il quale viene
registrato un segnale.
Poi c'e' un altro gradiente di codifica di
fase seguito dal gradiente di codifica di
frequenza di polarità inversa per la
formazione del segnale di eco (Gradient
echo)
durante il quale viene registrato un
segnale.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Guardando la traiettoria dello spazio-k nello stesso momento in cui zoomiamo
nell'area del gradiente di codifica di fase e frequenza, possiamo vedere come i
gradienti tracciano lo spazio-k.
La velocita' con la quale lo spazio-k viene attraversato e' cosi' rapida che e'
possibile, a seconda della dimensione della matrice di acquisizione, ottenere da
15 a 30 immagini al secondo. Questa e' l'acquisizione a frequenza video.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Quando l'imaging echo planare venne sviluppato, si pensò che avrebbe avuto un
grande impatto nel produrre immagini di risonanza magnetica in tempo reale.
La sua più grande applicazione apparve essere nell'area dell'MRI
funzionale del cervello.
L'imaging funzionale permette di visualizzare quali zone del cervello stanno
“lavorando” durante lo svolgimento di un determinato compito. Durante
l'attività cerebrale c'è un rapido momentaneo incremento di flusso sanguigno in
specifici centri del cervello deputati al pensiero.
L'incremento di circolazione sta a significare che c'è un incremento di ossigeno
che, in quanto paramagnetico, ha effetto sul T1 e sul T2 dei tessuti locali del
cervello; la differenza in T1 e T2 rispetto ai tessuti circostanti determina un
contrasto tra i tessuti.
ECHO PLANAR IMAGING (EPI)
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
L'imaging chemical shift e' la produzione di un'immagine con una sola
componente di chemical shift in un dato campione.
Ad esempio, se l'oggetto da esaminare e' composto da idrogeni
dell'acqua e del grasso, ognuno con un diverso chemical shift,
un'immagine chemical shift sarebbe un'immagine sia dell'acqua che
del grasso dell'oggetto.
Dal momento che la maggior parte dell'imaging chemical shift
routinario e' fatto per sopprimere il segnale proveniente dal grasso, la
tecnica viene spesso definita come imaging a soppressione del grasso.
Ci sono molti metodi per eseguire l'imaging chemical shift, due dei
quali, il metodo inversion recovery ed il metodo "di saturazione“.
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery
Nel metodo inversion recovery viene utilizzata una sequenza di imaging
inversion recovery con un tempo TI pari a T1ln2, essendo T1 il tempo di
rilassamento spin-reticolo della componente che si desidera sopprimere (per la
soppressione del grasso questa componente e' il grasso, per l'acqua la
componente e' l'acqua).
Questa tecnica e' applicabile solo quando i valori dei T1 delle due componenti
sono diversi.
l’ impulso di preparazione di 180°
predispone la magnetizzazione al valore
-Mz per il successivo impulso di
eccitazione di 90°
Il ritardo TI tra il preimpulso e quello di
eccitazione, caratterizza il segnale
rilevato e, quindi, l’immagine
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) Inversion recovery
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso) saturazione
Nel metodo "di saturazione" viene applicato un impulso di saturazione
selettivo di una frequenza prima di far partire gli impulsi di una sequenza
standard, ad esempio una sequenza spin-echo.
L'impulso di saturazione azzera la magnetizzazione della componente che
desideriamo sopprimere. Quando parte la sequenza di imaging standard non vi
e' alcun segnale proveniente dalla componente soppressa.
Imaging Chemical Shift (Soppressione del grasso)
L'impulso di saturazione consiste in
un impulso selettivo di una
frequenza che causa l'azzeramento
della magnetizzazione Z per uno
specifico chemical shift.
Nel caso di una sequenza di
saturazione per il grasso, questo
composto chemical shift è il grasso.
Nell'esempio questo impulso di
saturazione e' seguito da una
sequenza spin-echo.
Questo impulso e' seguito da un
gradiente di defasamento per
forzare a zero la magnetizzazione
trasversa di questa componente del
chemical shift.
Imaging dei flussiL’imaging dei flussi (Angiografia MR) è l’imaging del sangue che fluisce
nelle arterie e nelle vene del corpo.
In passato l’angiografia era eseguita solo introducendo un contrasto
radiopaco nel corpo e facendo una radiografia. Questa procedura
generava una mappa dei vasi sanguigni del corpo. Non veniva però
generata un’immagine nella quale si distinguesse un flusso
“stazionario” da quello “in movimento”.
Era dunque una tecnica poco adeguata per l’imaging dei problemi
circolatori.
L’angiografia a risonanza magnetica (MRA) invece produce
immagini di flussi sanguigni in movimento. L’intensità in queste
immagini è proporzionale alla velocità del flusso.
Ci sono 3 principali tipi di MRA:time-of-flightangiografia phase contrastangiografia contrast enhanced
Angiografia Time-of-Flight
L’angiografia time-of-flight può essere eseguita in diversi modi.
Un metodo utilizza una sequenza spin-echo in cui gli impulsi a 90° e 180° di
selezione della fetta hanno frequenze diverse.
L’impulso a 90° eccita gli spin in un piano; l’impulso a 180° eccita gli spin di un
altro piano.
In assenza di flusso, non c’è segnale perché nessuno spin subisce entrambi gli
impulsi di 90° e 180°.
Quando il sangue subisce l’impulso a 90° e non quello a 180°, non viene osservato alcun echo.
Angiografia Time-of-Flight
In presenza di flusso e di un corretto TE, il sangue proveniente dal piano di 90°
fluisce in quello di 180° e produce un’echo.
Se la localizzazione della fetta dell'impulso a 180o viene fatta combaciare con la posizione del sangue che ha subito l'impulso a 90o, soltanto quel sangue contribuira' al segnale di echo.
Angiografia Phase Contrast
L’angiografia phase contrast è un po’ più complicata. Il primo nuovo concetto da
capire è quello di un impulso bipolare di gradiente di campo magnetico
(GBP).
Un impulso di gradiente bipolare è quello in cui il gradiente viene acceso in una
direzione per un periodo di tempo e poi acceso nella direzione opposta per un
tempo equivalente. Un impulso di gradiente bipolare positivo ha prima il lobo
positivo
e un impulso di gradiente bipolare negativo ha prima il lobo negativo
L’area sotto il primo lobo dell’impulso di gradiente deve eguagliare quella del secondo
Angiografia Phase Contrast
Un impulso di gradiente bipolare non ha un effetto risultante sugli spin
stazionari, mentre avrà effetto su quegli spin che hanno una componente della
velocità nella direzione del gradiente.
Per esempio, uno spin stazionario esposto al primo lobo dell’impulso di gradiente bipolare
acquisterà una fase in radianti data da:
e relativamente al secondo lobo:
dtxGBPA 2
dtxGBPB 2
Se vengono eseguite due sequenze di imaging in cui la prima ha un impulso di
gradiente bipolare positivo e la seconda un impulso di gradiente bipolare negativo, e i
dati grezzi delle due sequenze sottratti, i segnali provenienti dagli spin stazionari
saranno cancellati mentre quelli relativi a spin in movimento (flusso) addizionati.
Angiografia Phase Contrast
L’effetto risultante sarà
un’immagine degli spin in
movimento.
La direzione del gradiente
bipolare produce segnale
proveniente solo da quegli spin
con una componente lungo quella
direzione.
Angiografia Phase Contrast
Qui ci sono 2 esempi di immagini MRA. La prima è la proiezione coronale del flusso
della testa.
La seconda è una proiezione assiale del cervello.
Angiografia Contrast Enhanced
L’angiografia contrast enhanced si basa sulla differenza del tempo di
rilassamento T1 del sangue e del tessuto circostante quando viene iniettato nel
sangue un mezzo di contrasto paramagnetico.
Questo contrasto riduce i tempi di rilassamento T1 dei fluidi nei vasi sanguigni
rispetto ai tessuti circostanti.
Quando vengono raccolti i dati con un valore di TR breve, il segnale
proveniente dai tessuti circostanti i vasi sanguigni è molto piccolo a causa del
suo lungo T1 e breve TR.
Le immagini provenienti dalla regione di interesse vengono registrate con
sequenze di imaging volumetrico veloci.
L’alta qualità delle immagini dell’angiografia MR contrast enhanced ha
reso la MRI la tecnica di scelta per l’angiografia.
QUANTE e QUALI SEQUENZE ANCORA ?
NUMEROSE ALTRE SEQUENZE SONO DISPONIBILI PER PARTICOLARI
FINI DI IMAGING TUTTE BASATE SUGLI SCHEMI CONCETTUALI
FONDAMENTALI ILLUSTRATI
I NOMI (ACRONIMI) DI QUESTE SEQUENZE NON SONO UNIFICATI
LA STESSA SEQUENZA PUO’ TROVARSI DENOMINATA DIVERSAMENTE
DALLE VARIE CASE COSTRUTTRICI DI TOMOGRAFI RM
Bibliografia
Basi di MNR: vari testi tra cui Barrow, Corey, Harris….etc.
NMR-Imaging :
1) “NMR Imaging of Materials” Bernhrad Blumich, Ed. Oxford Science
Pubblications
2) http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/contents-i.htm
3) Lezioni in ppt